無人地面載具 (UGV) 輪型與履帶型驅動系統之 技術演進與選型策略

前言

UGV 近年已由實驗室研究平台，逐步走向智慧製造、物流搬運、農業作業、公共安全與戶外巡檢等實際應用。相較於固定式自動化設備，UGV 可搭載感測器、通訊模組、電池與作業機具，並依任務需求進行移動與路徑規劃。然而，在真實場域中，載具能否穩定抵達任務位置，並不只取決於導航演算法或感測器性能，底盤機構是否具備足夠牽引力、接地穩定性與地形通過能力，同樣是系統可用性的基礎［1］［2］。

從機構型式來看，UGV 常見底盤大致可分為輪型、履帶型、足式與混合式構型。其中，輪型與履帶型是目前工程應用最成熟的兩大類。輪型底盤具有結構簡單、行駛效率高、速度快、維護容易與零組件取得便利等優點，適合室內地坪、道路、廠區與半結構化環境；依轉向方式與輪組配置不同，又可分為差速輪型、阿克曼轉向、麥克納姆輪，以及具懸吊或搖臂機構的多輪構型［4］。相較之下，履帶型底盤透過較大的接地面積分散車重，可降低平均接地壓並提升鬆軟、不平整地形中的通過性，但通常伴隨較高的轉向阻力、履帶磨耗與維護需求［3］。

隨著 UGV 應用由室內平坦環境延伸至草地、土路、農地、砂地與災害現場，底盤機構也呈現由簡入繁的發展趨勢。早期平台多採剛性輪型底盤即可滿足平面移動需求；當場域轉向戶外，則開始導入大輪徑、懸吊、六輪配置或搖臂轉向架（Rocker-Bogie）機構，以提升車輪貼地性與越障能力［5］。在更嚴苛的非結構化地形中，履帶型、擺臂式（Flipper）輔助履帶或輪履、輪足等混合構型，則可提供更高的地形適應性，但也提高致動器數量、傳動複雜度、控制難度與維護成本［1］［3］［6］。因此，UGV 底盤選型不應以「越障能力最大化」為唯一標準，而需依任務環境、速度需求、酬載重量、續航時間、維護條件與成本限制進行整體評估。

輪型驅動系統之機構特性與技術演進

輪型驅動系統是最常見且發展成熟的 UGV 構型。其優勢在於機構組成簡單、傳動效率高、速度快，且輪胎、輪轂馬達、減速機與懸吊元件多已商品化，因此常見於倉儲物流、園區巡檢、道路巡邏與服務型機器人。相較於履帶或足式系統，輪型底盤在平整硬質地面上具有較低滾動阻力與較佳能源效率，適合長時間、長距離移動任務［1］。但當地形轉為草地、碎石、坡地或起伏路面時，輪型系統的越障能力與牽引穩定性會受到輪徑、輪距、軸距、輪胎接地面積與懸吊配置限制。

差速輪型底盤是最基本的輪型架構，其原理是利用左右兩側驅動輪轉速差，使車體完成前進、後退、轉向或原地旋轉。二輪差速搭配萬向輔助輪的設計零件數少、控制直觀，適合室內服務機器人與小型搬運平台；四輪或六輪差速則可增加支撐點與承載能力，較適合園區巡檢或輕度戶外環境［2］［4］。不過，多輪差速在小半徑轉向或原地旋轉時，輪胎與地面間會產生側向滑移，造成額外摩擦、磨耗與能量損失。若車體軸距過長或地面摩擦係數高，馬達扭矩需求也會明顯增加，因此需同時考量輪距、軸距、輪胎硬度與減速比設計。

阿克曼轉向底盤接近傳統汽車架構，透過前輪轉向幾何使內外側輪胎沿不同半徑滾動。與差速轉向相比，阿克曼轉向較能降低輪胎側滑，適合中高速、長距離與道路型任務，例如廠區外圍巡檢、道路偵測或農場道路運輸。其限制在於最小轉彎半徑較大，無法像差速底盤一樣原地旋轉，因此不適合狹窄通道或頻繁精準掉頭的場域。此外，轉向節、連桿、舵機或轉向馬達也會使機構複雜度高於二輪差速。

全向輪與麥克納姆輪則是強調平面機動性的特殊輪組。此類輪胎外周配置小滾輪，可透過不同輪速組合完成前後、左右、斜向與原地旋轉運動，適合室內物流、自動搬運車與精密定位平台［1］。然而，麥克納姆輪的優勢在於平整地面上的多自由度移動，而非戶外越野。其小滾輪容易受到地面縫隙、碎石、灰塵與衝擊影響，若用於泥地、坡地或碎石地，可能產生牽引力不足或異物卡滯問題。

當輪型 UGV 進入戶外的非結構化地形時，剛性底盤容易因路面起伏造成部分輪胎懸空，使有效牽引輪數下降。因此，懸吊系統、可動車架與搖臂式機構成為提升地形適應性的關鍵。懸吊可吸收衝擊、維持輪胎接地並降低車體震動，對搭載光達、相機或機械手臂的載具尤其重要。搖臂轉向架機構則利用被動連桿，使6個車輪在崎嶇地形中維持接地並分散載重，具備良好的低速越障能力［5］。不過，這類機構尺寸較大、速度通常較低，較適合災害勘查、戶外研究平台與農地巡檢，而不一定適合高速巡邏。

履帶型驅動系統之機構特性與技術演進

履帶型底盤以連續履帶取代單一車輪作為接地元件，最大特色是接地面積大、平均接地壓低，因此在泥地、砂地、鬆軟土壤、碎石地與崎嶇地形中通常具有較佳通過能力。履帶式移動機構回顧文獻指出，履帶系統特別適合軟弱、可變形與不規則地形，但其速度與能源效率通常低於輪型系統［3］。因此，履帶型 UGV 多用於農業搬運、災害搜救與危險環境探測等任務。

雙履帶差速底盤是最典型的履帶型架構，左右兩側各配置一組履帶，並透過左右履帶轉速差完成直行、轉向與原地回轉。其機構通常包含主動輪、從動輪、承重輪、惰輪、張緊機構與履帶本體。馬達經減速機輸出扭矩至主動輪，再帶動履帶循環運動。由於履帶與地面接觸面較長，車體重量可分散於較大區域，降低沉陷風險並提高低速牽引能力。但履帶轉向時多依靠滑移，尤其在硬質地面或高摩擦地面上，會產生較大能耗、磨耗與扭矩需求，因此可原地回轉不等於低能耗轉向。

DOI:10.30256/JIM.202607_(520).0015